煤礦用主通風(fēng)機(jī)排水口降噪分析與對策

馮濤,吳冠雄，崔凌飛

(天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300402)

在人類生產(chǎn)生活中，嘈雜的噪聲環(huán)境，首先會妨礙人們的休息和睡眠，令人心情煩躁。一般超過45dB(A)的噪聲，就會影響正常人的睡眠。在大城市的工業(yè)區(qū)，交通要道噪聲都大大超過了45 dB(A)而高達(dá)70～80 dB(A)，有的達(dá)到了90 dB(A)。這些噪聲晝夜不停，給周圍的環(huán)境造成了強(qiáng)烈的噪聲污染，對居民的休息和職工的生產(chǎn)勞動、工作造成了極大的危害。

在煤礦的生產(chǎn)過程中，風(fēng)機(jī)是不可缺少的通用設(shè)備，煤礦主通風(fēng)機(jī)在工作過程中產(chǎn)生的噪聲會直接影響周邊居民和廠區(qū)工作人員的身心健康和破壞當(dāng)?shù)氐陌察o環(huán)境。因此，對主通風(fēng)機(jī)的降噪就引起了煤礦工作人員的重視。在分析噪聲產(chǎn)生機(jī)理基礎(chǔ)上，從噪聲產(chǎn)生的源頭、傳播路徑和產(chǎn)品設(shè)計(jì)等多方面進(jìn)行降噪處理，產(chǎn)生了一定的效果。以往的降噪雖然得到了一定的效果，但是對主通風(fēng)機(jī)排水口的噪聲沒有得到控制。主通風(fēng)機(jī)的排水口一般都比較小，氣流在管道內(nèi)傳播，當(dāng)氣流比較大并且遇到截面變小時，就會在原有噪聲基礎(chǔ)上產(chǎn)生疊加，噪聲非常大，所以對于主通風(fēng)機(jī)排水口的降噪處理就變得尤為重要。目前國內(nèi)外對于排水口的降噪問題大多數(shù)是通過對主風(fēng)機(jī)進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化和綜合治理來進(jìn)行優(yōu)化處理，達(dá)到降噪效果，缺少更多的有針對性的降噪方法和對策。

1 排水口噪聲產(chǎn)生機(jī)理

風(fēng)機(jī)只要正常運(yùn)轉(zhuǎn)就會產(chǎn)生噪聲，主通風(fēng)機(jī)的噪聲主要就是空氣動力噪聲和機(jī)械性噪聲。其中空氣動力噪聲主要是風(fēng)機(jī)葉片周期性打擊空氣質(zhì)點(diǎn)所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)噪聲和高速氣流在葉片旋轉(zhuǎn)過程中對氣體壓縮和稀疏產(chǎn)生的渦流噪聲，以及兩種噪聲疊加產(chǎn)生的噪聲。而機(jī)械性噪聲主要是電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)下帶動的風(fēng)機(jī)殼體振動產(chǎn)生的噪聲和電磁噪聲兩種。

排水口作為主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的一部分，肯定受到上述兩種噪聲的輻射影響。排水口既是主通風(fēng)機(jī)排水口，又是含塵氣流的排放口，也是噪聲外排口。由于排水口比較小，所以通過排水口的噪聲主要形式就是高氣流通過后形成的噴注噪聲，噪聲一般屬于中低頻噪聲，所以如何降低低頻噪聲就成為了降噪的關(guān)鍵[1]。

通過上述分析可以知道排水口的主要噪聲來源，所以對排水口的降噪不可能通過改變噪聲源來進(jìn)行控制噪聲。因此只能從噪聲的傳播路徑上來進(jìn)行噪聲的控制處理，達(dá)到降噪的效果。排水口噪聲輻射的部位很顯然就是在出口處，因此主要就考慮在排水口出口實(shí)施噪聲控制。

2 聲音在管道中的傳播特性

聲源在沒有邊界的空間中的輻射是波陣面逐漸發(fā)散的球面聲波。當(dāng)輻射聲源在管道中時，聲波的傳播方式簡單，在傳播信道中沒有擴(kuò)散，因此聲波可以沿管道傳播很遠(yuǎn)。通過對圓柱形聲波導(dǎo)管性質(zhì)進(jìn)行分析來說明聲波在管道中的傳播特性，假設(shè)管壁是剛性的。

設(shè)有一圓柱形管，半徑為a，一端無限延長。現(xiàn)在用柱坐標(biāo)來描述其聲波方程，設(shè)管的徑向坐標(biāo)為r，極角為θ，軸向坐標(biāo)為z[1]，圓柱形聲波導(dǎo)管模型如圖1 所示，得到三維柱坐標(biāo)波動方程為：

求得管中聲壓解為：

為了得到管中聲波導(dǎo)管的截止頻率，聲壓解又能用以下方式表示：

式（2.2）代表圓柱形聲波導(dǎo)管中的（m，n）次簡正波。除此之外，還可以得到與矩形管相類似的圓柱形聲波導(dǎo)管的截止頻率，即除零以外最低的簡正頻率，計(jì)算公式為：

當(dāng)聲源頻率低于fc時，在管中有唯一的，半徑為a 的圓柱形管中以平面波的形式沿z 軸傳播。

3 聲源噪聲控制對策

根據(jù)能量守恒定律，能量既不能產(chǎn)生也不能消失，但可以由一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。聲波是一種空氣分子的振動能量，通過物體對聲波能量的吸收，能量轉(zhuǎn)換產(chǎn)生熱。

聲波在理想介質(zhì)中傳播時沒有能量的損耗，聲波在傳播過程中能量保持不變。然而，聲波在實(shí)際的傳播過程中是通過非理想介質(zhì)，傳播介質(zhì)不僅要吸收聲波的能量，在傳播過程中會產(chǎn)生能量和幅值的衰減。

聲波產(chǎn)生衰減的原因有：1)聲波傳播時，波陣面在空間中擴(kuò)展，會產(chǎn)生幾何衰減，在總聲波能量不變的情況下，傳播到不同位置的聲波幅值不同。2)介質(zhì)會對聲波能量進(jìn)行吸收，轉(zhuǎn)化為熱能。3)介質(zhì)中所含有的粒子對聲波會有散射作用，聲波在傳播過程中遇到這些小的顆粒會發(fā)生散射。

使聲波產(chǎn)生衰減的介質(zhì)對聲波能量的吸收有粘滯吸收和熱傳導(dǎo)吸收兩種主要的形式。其中一種形式是粘滯吸收。由于傳播介質(zhì)在聲波傳播過程中會發(fā)生變形，而介質(zhì)本身是具有粘性的，在變形及恢復(fù)的過程中會發(fā)生能量的轉(zhuǎn)化[3]。

根據(jù)對排水口噪聲產(chǎn)生的機(jī)理和聲波在管道中傳播的特性進(jìn)行分析后，我們可以在排水口安裝消聲器，對排水口進(jìn)行降噪處理。排水口處的空氣動力性噪聲聲壓級最大，所以在排水口安裝消聲器是快速控制噪聲的最有效措施?，F(xiàn)在應(yīng)用最多的消聲器根據(jù)其原理主要有阻性消聲器、抗性消聲器、微穿孔板消聲器以及復(fù)合式消聲器。根據(jù)聲波產(chǎn)生衰減的原因和排水口產(chǎn)生的噪聲主要是中低頻噪聲的特性，我們這里使用抗性消聲器?？剐韵暺髦饕峭ㄟ^管道截面的突變或在管道中間加旁支共振腔體[1]，使聲波在傳播的過程中引起阻抗，通過聲波的反射、干涉來降低聲能，來達(dá)到消聲的目的。

根據(jù)抗性消聲器的原理，我們可以在排水口安裝一個多級消聲器，達(dá)到多級降噪的目的，也可以改變截面，在傳播過程中接裝一個共振腔，來實(shí)現(xiàn)最好的降噪效果。由于是排水口，多級消聲器除了有降噪的作用，還有排水管道的效果，可以在消聲器的末端增加一個U 型管道，當(dāng)水位不超過U型管的最高水位時，水會暫時存儲，這樣聲波就會從空氣進(jìn)入到水中，進(jìn)行一系列反射、折射和干涉使聲能降低，達(dá)到降噪的效果。排水口排出來的水中間會摻雜一些粘性物質(zhì)，根據(jù)聲波衰減介質(zhì)對聲波能量吸收的特點(diǎn)，粘性介質(zhì)會對聲波進(jìn)行吸收和能量轉(zhuǎn)化，達(dá)到降噪的效果。

除了對消聲器結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)來達(dá)到降噪效果外，還應(yīng)該在消聲器與排水口連接端口處和排氣口處鋪設(shè)消聲材料，這樣就可以在源頭進(jìn)行高頻噪聲的降噪，完成初次降噪和終極降噪。

4 總結(jié)

對主通風(fēng)機(jī)排水口的噪聲控制，最有效的就是從排水口處，即聲源處進(jìn)行噪聲控制。對已經(jīng)安裝的風(fēng)機(jī)，可以在排水口增加一個多級消聲器來進(jìn)行噪聲控制，同時還應(yīng)該對消聲設(shè)備進(jìn)行減振、消聲和隔聲等多方面的處理，來消除因?yàn)闄C(jī)械振動、設(shè)備振動產(chǎn)生的次生噪聲。所以設(shè)計(jì)一種多用途主通風(fēng)機(jī)口排水消聲裝置是很有必要的。